בהנדסת טיפול במים, תהליכי יחידה כגון מיכלי קרישה, מיכלי צפצופים ומיכלי תגובה ריכוך דורשים אחידות גבוהה במיוחד של ערבוב מים. באופן מסורתי, ערבוב מושג על ידי התקנת ערבולים מכניים. עם זאת, עם עליית עלויות האנרגיה והטמעת מדיניות "כפול-פחמן", יותר ויותר פרויקטים מתחילים לנסות להחליף ערבול מכני באוויר דחוס כדי להשיג יעדי שימור אנרגיה והפחתת פליטות. מאמר זה חולק את העקרונות, שיטות החישוב וערך היישום של טכנולוגיית ערבוב פניאומטי עבור אנשי מקצוע לטיפול במים.
I. נקודות כאב של תסיסה מכנית מסורתית
בתהליכי טיפול קונבנציונליים במים מותקנים בדרך כלל תנועות משוטים או מסגרת במיכלי ערבוב, מיכלי קצף ומכלי תגובה לריכוך. המנוע מניע את ההנעות להסתובב, יוצר מערבולות וגזירה במים, ובכך מקדם ערבוב יסודי של כימיקלים ומים גולמיים. עם זאת, לתסיסה מכנית יש את הבעיות הבאות:
1. צריכת אנרגיה גבוהה
במפעלים לטיהור שפכים-גדולים, ההספק של ערבולים מכניים הוא בדרך כלל בין 2 ל-15 קילוואט, עם זמני פעולה ארוכים וצריכת חשמל שנתית גבוהה.
2. עלויות תחזוקה גבוהות
מערבלים כוללים מספר רב של רכיבים שניזוקו בקלות כגון מנועים, מפחיתים, צימודים ואימפלרים. תחזוקה יומיומית והחלפת חלקים גוזלים-זמן ועבודה-עת.
3. שדה זרימה לא אחיד במיכל
בכמה מכלים בעלי צורה לא סדירה או במיכלי תגובה-גדולים, ערבול מכני יוצר בקלות "אזורים מתים", וכתוצאה מכך השפעות ערבוב לא מספקות.
לכן, מציאת טכנולוגיות תסיסה יעילות-וחסכון באנרגיה הפכה למגמה.
II. עקרון תסיסת אוויר דחוס
ערבול אוויר דחוס היא טכנולוגיה המייצרת בועות על ידי החדרת אוויר דחוס לתחתית או לקירות המיכל. כאשר בועות האוויר עולות במים, הן יוצרות זרימת אוויר כלפי מעלה, ובו זמנית מניעות את המים שמסביב ליצירת זרימה במחזור. בהשוואה לעירבול מכני, לערבול פניאומטי מספר יתרונות משמעותיים: (1) חיסכון באנרגיה וצריכה מופחתת; אין צורך בהתקנת ערבול- בעל עוצמה גבוהה, יש צורך רק במדחס אוויר בודד לאספקת אוויר מרכזית; (2) ללא בלאי מכני; כמעט ללא צורך בתחזוקה; (3) שדה זרימה אחיד יותר; חלוקת בועות סבירה מונעת "אזורים מתים"; (4) יש גם פונקציית אוורור; בתהליכים מסוימים, זה יכול לעזור להגדיל חמצן מומס. III. חישוב נפח אוויר פרויקטים רבים כוללים שינוי מסוג זה, אך לעתים קרובות ללא כל בסיס מדעי, חיבור שרירותי של צינור אספקת אוויר לבריכה, וכתוצאה מכך ביצועים לא מספקים.
III. חישוב נפח אוויר
פרויקטים רבים כוללים שינוי מסוג זה, אך לעתים קרובות ללא כל בסיס מדעי, חיבור שרירותי של צינור מקור אוויר לתוך המיכל, וכתוצאה מכך ביצועים לא מספקים.
ניתן לחשב את נפח האוויר הנדרש לאוורור וערבוב באמצעות הנוסחה הבאה.
בנוסחה: Qa הוא קצב זרימת האוויר הנדרש לאוורור וערבוב בתנאים סטנדרטיים, m³/min; Pt הוא כוח הציר של המערבל המקורי, קילוואט, שניתן לקחת אותו כ-0.75~0.90 מהספק המנוע; h הוא עומק המים בפתח חלוקת האוויר, m.
ניתן לחשב את לחץ האוויר (מד לחץ) הנדרש לאוורור וערבול באמצעות הנוסחה הבאה.
בנוסחה: pc הוא לחץ האוויר (מד לחץ) הנדרש לאוורור וערבול, kPa; Δph הוא הלחץ הסטטי בעומק המים, kPa, Δph=9.81 × h; Δpf הוא אובדן הלחץ לאורך הצינור ובנקודות מקומיות, kPa, אותו ניתן לחישוב על ידי התייחסות לתוכן הרלוונטי במאמר "שיטות לקביעת כוח ולחץ של מפוחי אוורור" בחשבון ציבורי זה באמצעות הקישור בסוף מאמר זה; Δpd הוא אובדן הלחץ של ראש חלוקת האוויר, kPa, שניתן להתייעץ איתו עם היצרן והוא בדרך כלל 3~15 kPa.
IV. שיקולי עיצוב לערבוב פניאומטי
1. קוטר בועות ומהירות עלייה
על פי הספרות, קוטר הבועות הוא בדרך כלל בסביבות 5 מ"מ, ונפח האוויר מהווה בדרך כלל 10% מקצב זרימת הנוזל. ככל שקוטר הבועות קטן יותר, מהירות העלייה איטית יותר, ואפקט הערבול הנוזל טוב יותר, אך צריכת האנרגיה של האוויר הדחוס מעט גבוהה יותר; אם קוטר הבועות גדול מדי, יעילות הערבוב תפחת.
2. צנרת והתקן חלוקת אוויר
ראשי חלוקת האוויר צריכים להיות מפוזרים באופן שווה, ובדרך כלל משתמשים בצינורות נקבוביים או ראשי אוורור מיקרו-נקביים. התכנון חייב להבטיח שהבועות מפוזרות באופן שווה במיכל כדי למנוע "קצר חשמלי" מקומי.
3. מאפיינים הידראוליים של הבריכה
עבור בריכות עמוקות, בועות אוויר סובלות מהפסדים גדולים יותר במהלך העלייה, ולכן דורשות אוויר דחוס בלחץ- גבוה יותר.
תַקצִיר
בהקשר של "פחמן כפול" (פחמן דו חמצני, קיבוע פחמן ופליטת פחמן), טכנולוגיית ערבול באוויר דחוס מציעה למפעלי טיהור מים שיטת ערבוב יעילה ביותר, -חוסכת באנרגיה ותחזוקה נמוכה-. על ידי חישוב רציונלי של צריכת אוויר ולחץ, אופטימיזציה של תכנון חלוקת האוויר ושליטה בגודל הבועות, ניתן להשיג ערבוב אחיד יותר מאשר ערבול מכני, תוך הפחתה משמעותית של עלויות התפעול. בעתיד, עם הפיתוח של מערכות בקרה חכמות, ערבוב פנאומטי צפוי להיות מקושר לניטור איכות מים מקוון, המאפשר אספקת אוויר לפי דרישה וחיסכון באנרגיה דינמית, תוך הצגת פוטנציאל יישום גדול בטיפול במים עירוניים, מים במחזור תעשייתי ותגובות כימיות.